靶场联合试验评估需求与应用研究*

吉玉洁 吴 萌

（1.中国人民解放军91336部队 秦皇岛 066326）（2.中国人民解放军91404部队 秦皇岛 066000）

1 引言

我军当前正处于由机械化向信息化转型的关键时期，联合作战、信息战、网络中心战等作战方式在未来的大量应用中对武器装备研制、试验提出了多方位、深层次的挑战，它需要基于异类、异构、异地的各种测控资源之间实现互操作和可重用，为试验和训练提供一种新的技术基础。目前靶场各专业针对自己的试验训练需求，已经建立了多种模拟试验训练系统。但这些系统“烟囱式开发”状况严重，各系统之间难以共享资源，相互操作。因此，为了形成整个靶场的联合试验训练与评估，迫切需要一种能够充分利用靶场各种试验训练资源，使各种资源之间实现互操作、可重用和可组合的机制。在平时就实现各试验训练靶场设施、仪器仪表、模型与仿真系统的互连，在使用时根据具体目标按需“无缝集成”。从而使“烟囱化建设”的靶场变为一体化联合试验训练的靶场联合体［1～2］。

2 当前靶场试验训练系统建设在集成共享方面的缺陷

2.1 异类异构异地仿真试验训练系统综合集成方面

2.1.1 异类仿真系统综合集成方面

靶场现有的半实物仿真系统属于硬实时系统，回路中硬件的状态变化不可逆转，对实时性的要求很严格，而HLA并没有对此提出具体实现方法。为了保证仿真系统的协调运作、维护虚拟世界中正常的因果逻辑顺序，HLA需要对联邦进行严格的时间管理，而其复杂的时间管理算法保证了其时间逻辑的严格正确性但却不利于实时仿真，这给半实物仿真系统与全数字仿真系统的综合集成造成了一定的困难。目前，靶场使用的基于HLA的仿真训练系统与半实物仿真系统没有实现有效的联合，只能够分别单独应用。目前国外在将HLA与半实物仿真的结合方面已有不少典型的应用，但是我国在该方面始终无法摆脱国外技术垄断或敏感技术禁运等风险，技术上受到国外技术壁垒的严重限制。

2.1.2 异地仿真系统综合集成方面

目前靶场现有的基于HLA的分布式系统基本均为基于局域网（LAN）的中小规模分布仿真系统，由于联合试验训练与评估的需求，急需在此基础上进一步研究满足建立在广域网（WAN）上的大规模分布式仿真系统。很显然，重新开发是费时费力的；重用已有的系统，实现多联邦的互联是快速扩大仿真规模的重要手段。可以通过桥接成员来实现多联邦的互联，但这种方法对于整个联邦系统仍缺乏有效的监控和管理［6］。

HLA解决了模型重用和互操作问题，其运行时支撑系统RTI的一些具体实现（P-RTI、KD-RTI等）大量使用了组播技术，一方面提高了通讯性能，另一方面也限制了它们在目前条件下的广域网上的应用［7］。由于目前广域网（除MBone网外）不支持组播通信这种方式，在局域网环境运行良好的分布式仿真系统，在广域网上基于普通网络连接方式，已无法将各仿真节点组织成一个仿真系统，更无法完成节点间的分布式交互。因此需要构建新的平台体系结构实现基于广域网的分布式仿真系统。

2.1.3 异构仿真系统综合集成方面

HLA只为分布仿真提供一个高层的体系结构，不对具体的仿真应用系统的设计和实现进行规范，因此目前出现了基于不同应用领域、不同仿真平台和不同地域等特点的各种异构仿真系统。在靶场，这一现象表现为基于HLA的分布式仿真训练系统并不是基于同一种RTI下构建的，所采用的RTI包括P-RTI、BH-RTI等。由于缺乏统一的通信协议标准、规范的仿真平台框架，使这些仿真系统难以直接进行互联，限制和降低了分布仿真的重用性和互操作性［3］。

各种应用软件需要在多种平台之间进行移植，各个平台也需要支持多种应用软件，这要求软、硬件平台和应用系统之间能够进行可靠和高效的数据传递或转换，以保证各系统之间的协同性，在不同的技术之间共享资源［4］。因此需要实现一种独立的中间件来实现这种要求。该中间件应满足以下特点：

1）能够满足大量仿真应用的需要；

2）能够运行于多种硬件和操作系统平台；

3）支持分布式计算，提供跨网络、硬件和操作系统平台的交互功能；

4）支持标准的协议和接口。

2.2 仿真系统与靶场其他资源综合集成方面

为了实现靶场试验训练资源的充分利用，促进各种资源的互用性、重用性与组合型，以便能够根据具体任务要求快速、高效地建立一个“逻辑靶场”［5］。除靶场的仿真试验训练系统外，靶场的其他资源和能力（实装设备、仪器仪表和高性能计算能力）也需要通过网络集成起来。最终实现“逻辑靶场”各单元之间信息互联互通，靶场资源灵活配置组合，试验环境模拟，对抗训练环境模拟，时间统一，试验训练信息实时采集，实时监控指挥，试验训练指挥辅助决策，试验结果快速处理，训练效果分析评估，试验训练仿真推演，试验训练实时记录，试验训练过程重现和试验训练信息安全保护等功能。

3 分布式联合仿真平台靶场工程应用模式探讨

目前，分布式仿真技术在靶场的应用尚处于起步阶段，应充分利用靶场试验数据资源丰富的优势，以试验需求为牵引，实现分布式仿真技术在靶场试验应用中的突破，从应用层面解决仿真技术靶场应用问题［8］。通过对靶场目前主要训练、试验事件的全生命周期以及靶场现有真实、虚拟与高性能计算资源调研，借鉴国内外先进技术的研究成果，我们提出了基于本单位现有实装、半实物与全数字仿真资源的几种基于分布式联合仿真支撑平台的靶场试验训练工程应用模式。

3.1 舰艇作战系统试验方案推演、优化系统

靶场试验方案是靶场试验部门根据国军标和技战指标制订的试验方案，是试验科技人员集体智慧的结晶，是归靶场所有的具有自主知识产权的一类特殊产品。因此，可以之作为切入点，以试验理论为基础，以先进仿真技术、虚拟现实技术、网络技术等为手段，以被试舰艇作战系统、参试设备、参试单位、靶场自然环境的数字模型为核心，实现一种基于分布式仿真技术的试验方案推演优化系统，完成试验方案的设计、推演与优化等全过程业务内容，并提供测试设备类型选择、布站优化、冗余配置等辅助决策和分析方法。

下面以某型舰载指控系统试验所采用的试验方案推演、优化仿真系统为例，具体阐述分布式联合仿真技术在舰艇作战系统试验领域的试验方案验证、推演与优化方面的作用。该试验方案仿真验证系统组成如图1所示，由“模型封装”、“模型管理”、“任务想定”、“仿真运行”、“综合显示”和“数据管理”等子系统构成。各子系统功能如下所述：

1）模型封装子系统

用于对外来非标准仿真算法模型进行基于本平台标准的封装，形成适合于本平台使用的具有标准输入输出接口和规范化属性表述的模型组件，并允许通过“模型注册”过程注册进入模型库，形成被本平台识别和使用的标准模型组件。

图1 试验方案推演、优化仿真系统组成结构图

2）模型管理子系统

用于提供将外来模型进行系统注册的相关功能，即将外部标准模型通过导入、配置等方式变成本平台的有机成员，供平台根据“任务”内容的需要寻找、连接至运行框架中，并与其他相关模型一起在运行框架的调度下形成实际仿真运行系统，实现仿真运算、交互，共同完成需要的仿真任务。

3）任务想定子系统

任务想定子系统用于对用户的仿真需求进行录入、编辑、配置、解析，生成“运行框架”配置文件，并与仿真模型组装生成“运行系统配置文件”，供仿真引擎调用。

4）仿真运行子系统

该子系统实现本平台的核心功能，用于实现验证任务描述的仿真进程，在任务框架的约束下，通过仿真运行框架调度、数据加载、模型解算、数据交互、仿真过程干预控制等过程完成用户需要的仿真验证。

5）综合显示子系统

用于形象化展示仿真运行过程数据与最终结果矩，展示的方式有二维图形（GIS）、三维数字地球与图表，将各个仿真实体的静态与动态过程在二维地图、三维地形图和图形化表格环境中进行实时显示，满足用户直观获取、掌握、分析事物状态和运动过程的需要。

6）数据管理子系统

用于对本平台仿真过程与结果数据库、数据文件进行日常管理和维护，消息日志管理，同时完成外部数据的格式转换。

3.2 舰艇作战系统试验模拟训练系统

舰艇作战系统试验模拟训练所涉及的先进分布式仿真技术、虚拟现实技术、网络技术、软件工程技术等理论与技术都具有较高的成熟度，例如美国三军作战实验室，已经广泛采用分布交互式仿真技术与虚拟现实技术，实现对不同武器及指挥、控制、情报、监视和侦查系统的虚拟训练。同时，网络战争游戏中的逼真三维动画效果、强大的实时互动功能和特有的寓教于乐功效，也为受训者在逼真的虚拟环境中进行“试验”训练提供了良好的借鉴。舰艇作战系统试验模拟训练系统以软件为主，在采用先进设计思想和体系结构，并利用相关领域前沿技术手段的情况下，只需有限经费支持就可以实现基于仿真技术的虚拟训练空间，为不同层次、不同岗位的指挥、操作、总体人员提供不同业务内容的训练科目，进而推动“像训练一样试验”思想的实践［9］。因此，基于分布式仿真技术实现对舰艇作战系统试验的模拟训练，是分布式仿真技术在靶场应用一个很好的切入点。

以基于xx型指控系统实装开展的舰艇指控系统仿真模拟训练系统为例，具体阐述分布式联合仿真技术在舰艇作战系统训练领域的作用。全系统由xx型指控系统实装、xx型电子对抗半实物模拟台、xx型雷达半实物雷达台以及其他配属仿真模拟子系统组成，该系统具体功能组成如图2所示。

各子系统功能如下：

图2 舰艇指控系统仿真模拟训练系统组成结构图

1）指挥模拟训练子系统

该子系统基于xx型指控系统实装，用于对本舰指控信息处理、各系统指挥进行训练。实现对系统指挥流程、应急处置、辅助决策等指挥能力的训练和考核评估，同时担负训练过程的组织、指挥与评估。

2）操作岗位模拟训练子系统

该子系统包括xx型电子对抗半实物模拟台、xx型半实物雷达台以及其他舰载配属仿真模拟子系统，用于对雷达、导航、电子对抗、舰空导弹、主副炮系统等岗位操作人员的模拟仿真训练。实现对系统操作规程、故障处置、训练考核等进行模拟仿真训练。实现对系统指挥流程、应急处置、辅助决策等指挥能力的训练和考核评估。

3）可视化子系统

该子系统用于对试验过程的二维、三维可视化。实现对舰艇运动、关键设备、控制与传输信号、设备操作与显示界面系统的直观演示。有利于增强受训者对舰艇指控原理的深入掌握，提升系统的训练水平。

4）数据服务子系统

该子系统运行于仿真系统后台，为前台各类仿真应用提供数据服务支持。用于对仿真模型、仿真数据、故障案例的管理；运行数学、电路原理的仿真计算；对整个仿真系统的运行进行运行调度。

3.3 舰艇指控系统试验分布式仿真系统

鉴定定型是海军武器装备研制的重要环节。舰艇指控系统外场试验具有场景构设难、涉及兵力广、业务流程多、组织协同繁等难点，同时由于指控系统的特殊性，指控系统试验又具有信息交互杂、数据记录多、试验要素全等特点，这使得每进行一次指控系统外场试验都需要动用大量的人力、物力［10］，而且部分极限条件下或者大容量试验如果仍采用常规试验方法和统计分析方法，势必会影响鉴定结果的准确性。先进军事大国（如俄、美等）已建立了先进的仿真中心，其中包括有实物仿真、数字仿真和混合仿真。他们用这些仿真系统对舰艇指控系统的全过程进行模拟，以达到加快设计研制的目的［11～12］。为了搞好舰艇指控系统的试验与鉴定定型，有必要建立一个经济实用的数字仿真系统，来完成舰艇指控系统试验任务。

舰艇指控系统试验分布式仿真系统的研制思想如下：利用对舰载预警探测、电子对抗系统、舰空导弹系统、近程反导武器系统和各种测量系统所有验前的参数模拟舰艇指控系统试验时各系统可能发生的事件，分析各分系统影响试验的关键部件的状态测试参数，进行误差分析，分离输入误差，并运用仿真方法估算出设计密集度，作出可靠性有关评定结果。该系统可通过加载指控实装软件作为参试兵力接入试验回路，评定被试系统的战技指标。

舰艇指控系统试验分布式仿真系统组成结构图如图3所示。

图3 舰艇指控系统试验分布式仿真系统组成结构图

各子系统功能如下：

1）试验监管子系统

该子系统用于实现对整个试验系统的综合控制，包括试验想定加载、数据装订、系统运行控制、试验流程控制、各系统运行状态监控和兵力行动及设备状态显示等。

2）兵力模拟子系统

该子系统在模型驱动下，对舰载指控系统试验相关环境、本舰兵力和平台兵力进行模拟，为指控系统试验提供虚拟兵力平台和装备支持，并可在接入实装，生成模拟数据，形成虚实结合的试验环境。

3）被试系统内场运行子系统

该子系统通过加载不同指控实装软件分别各型指控系统，实现对四型指控系统的功能模拟，同时，通过接收兵力模拟子系统生成的各类模拟信息和数据，获取相应的试验结果参数，得到被视系统内场试验结论。

4）数据采集处理与评估子系统

该子系统试验前完成验前分布、验前概率及验前信息分析估计，实现对输入误差与试验结果分离，完成验前数据准备和试验输入参数过滤；试验运行中实时采集试验数据，完成对关键数据的采集和记录；并可根据预设评估指标完成对试验项目的检验。最终，可通过评定参数区间划分和折合因子，对比分析采集内场试验系统和外场试验数据差异，实现对内场试验的可靠性估计。

4 结语

我军目前正在大力推进部队转型，在联合环境下发展作战能力是部队转型的重要内容，联合作战环境将是未来武器作战的基本环境，如何使新研制的装备在联合环境中发挥最大效能，是目前试验鉴定领域面临的新课题与新挑战。基于分布式联合仿真支撑平台构建联合试验环境，能够更高效地利用靶场资源，提高联合试验能力，最大程度地降低未来靶场运作的费用。与科研院所联合攻关，自主开发我国自有知识产权的联合仿真支撑平台以及相关的各种核心软件工具，并在靶场实现其具体应用，是我们未来工作的重点内容。